摘要：近年来，我国的电动汽车行业有了很大进展，人们对电动汽车的质量要求也越来越高。为设计开发一种新型电动汽车车身，给出该小型电动汽车车身设计过程的架构方案，提出设计过程中实现尺寸、性能、重量等目标的管控方法。为确保汽车车身各项性能目标的实现，采用CAE仿真技术进行多维度分析评估，将车身性能立体化呈现，及时发现风险点，并进行同步修正设计，得到良好的车身结构。在重量控制方面，通过多材料、多工艺的应用实现车身的轻量化，初步完成该型电动汽车的钢铝混合车身设计，为该新型电动汽车车型量产提供理论依据。
关键词：小型电动汽车；车身设计；轻量化
引言
车身是汽车的重要部分之一，电动汽车的车身结构需要有足够的强度，这样才可以保证人们的安全。同时，电动汽车也需要拥有足够的刚度，以便可以正常工作，人们还要设计出合理的动态特性，以控制电动汽车的振动以及噪声。此外，如果实现车身的轻量化目标，那么电动汽车就可以拥有较强的续航能力，所以，不断优化设计电动汽车车身的结构是非常重要的。
1轻量化设计内容与步骤
在轻量化设计过程中，由于电动汽车车身零部件数量众多且结构尺寸差别较大，不同零部件对前舱静态与动态性能存在着不同程度的影响。减薄有些零件的厚度虽然可以减轻重量，但同时也降低了车身整体的模态与刚度。并且，轻量化后的车身也不一定能够满足电动汽车整车的安全性能。因此对电动汽车车身部件进行灵敏度分析，根据分析结果，选出对模态、刚度和质量灵敏度值不同的部件进行减薄或增厚，可以达到车身轻量化和提高车身静动态性能的目的。同时，通过对车身轻量化后的电动汽车整车进行正面碰撞仿真分析，对比车身轻量化前后电动汽车的安全性能指标，验证该轻量化设计方法的可行性。最后，根据优化前后的对比分析结果确定车身轻量化设计的最优方案。
2车身结构设计
构建完车身主体架构走势后，就开始进行车身结构设计。三维数据的建立都要遵循点、线、面、体的过程，即由点生线、由线生面、由面生体的过程。所以在进行车身3D数据制作前首先会制作2D数据，即常说的典型断面。车身典型断面是车身设计过程中的一项重要工作，它能够定义零件与零件间的配合关系，指导接下来的3D数据制作，反映运动件的运动轨迹，评估初步的工艺可行性，反映截面的弯扭特性等。一般一个车身的典型断面会有几十个，本文主要展示了本车的几个主要典型断面。（1）门上铰链位置的典型断面，断面反映了车身此处内外板及加强板的搭接形式、型面尺寸及构成角度，体现了门的运动轨迹、密封形式、铰链的固定方式以及门与翼子板的配合关系等。（2）门限位器位置的典型断面，其主要体现了限位器的运动轨迹、安装形式，以及为了配合限位器车身钣金和门钣金所定义的相关结构及尺寸，同时也体现了翼子板为了避让门开启所定义的固定结构。（3）门槛位置的典型断面，此断面涉及车身、开闭件、外饰件、内饰件、电器等多专业，所以此断面主要体现了门与车身、外饰件之间的配合关系，外饰件、内饰件以及电器在车身钣金和门钣金上的安装形式，以及车身钣金自身的尺寸定义等。（4）顶盖后横梁位置典型断面，此断面是为了说明在断面设计时除了考虑结构外还要兼顾人机需求，以保证人机需求车身结构进行了相关避让，这种避让是满足性能要求和初步评估的前提。
3汽车车身结构轻量化研究方法
3.1尺寸优化方法
尺寸优化是指在给定结构的类型、材料、布局和几何外形的前提下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，例如对节点位置已定的桁架结构求各梁的最优截面尺寸；对几何形状已定的平面板结构求各部位的最佳厚度等。
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3.2改进汽车的结构
人们要不断改进汽车结构，使得汽车内部的零件变得更加薄壁化、中空化、小型化以及复合化。在优化设计车身结构时，会使用拓扑和形貌优化、形状以及尺寸优化的方式。目前，我国应用比较多的是拓扑优化方法，而形貌优化主要用于优化加强筋的形式走向等，形状和尺寸优化主要用于钣金件的型面和板厚。
3.3形貌优化方法
形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构质量的同时能满足强度、频率等要求。形貌优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点的扰动生成加强筋。形貌优化是形状优化的高级形式，采用的变量为形状变量。形貌优化的设计区域首先被划分成大量独立的变量，然后进行一系列迭代优化，并计算这些变量对结构的影响。通过指定板壳单元节点在其法向的移动量，不断调整有限元网格模型的结构形状，直至获得满足设计目标的最优移动节点区域的最佳组合，它与基于钣金面上的加强筋布置设计过程类似。形貌优化的目标函数可以是车身零件的频率、刚度、强度等，设计变量是决定优化过程中节点位移变化的向量，加强筋方向一般与冲压方向一致，还需要定义最大起筋高度、最小起筋宽度或加强筋角度等；设计变量区间选择也可以作为约束条件处理。
3.4拓扑优化
（1）弯曲工况。根据车架结构弯曲刚度试验标准，对该有限元模型进行弯曲工况下的满负载加载。设计满载600Kg（包括5名乘坐人员，座椅质量，车架上部框架质量），动力放大系数取2.0。在新能源汽车结构设计中，构件储存的应变能大小是反映该构件承载能力的重要指标。设定该车架有限元模型拓扑优化设计目标函数是应变能，约束条件是满足车架结构弯曲刚度(11kN/mm)时，最大竖向位移小于1.2mm，挠度位移小于0.3mm，车架结构变形光滑过渡。基于ANSYS有限元软件计算平台，进行线性变密度拓扑优化计算。在30次循环迭代后目标值趋于稳定。弯曲工况下车架结构两侧车门附近具有较多的材料，为电池组主要承载结构；前部和后部也保留了较多的材料，为电机和行李主要承载结构。另外，在前、中、后部之间形成了斜杆连接型式，实现了整个车架结构的受力连续性，符合弯曲工况下的承载要求。（2）扭转工况。根据车架结构扭转刚度试验标准，对该有限元模型进行扭转工况下加载。左、右前车轮车轴处施加竖直方向的大小相等、方向相反的力，使车架结构产生扭转变形。设计满载600Kg，其质量由4个车轮车轴平均分配，动力放大系数取2。则每个车轴所受载荷3KN。基于ANSYS有限元软件计算平台，在左右前车轮车轴位置施加大小相等方向相反的载荷3KN，左右后车轮车轴位置施加全约束载荷，进行线性变密度拓扑优化计算。车架结构为多个三角形组成的桁架型式，具有较强的稳定性和抗扭特性。车架内部形成的空腔结构可用于电池组的合理设计与安装。
结语
综上所述，本文结合从总体到局部、从架构到细节的车身设计思想，对一种新型电动汽车车身结构进行设计，通过CAE仿真优化技术实现车身架构和结构的校核与优化，应用多种材料、多种工艺等实现车身轻量化。车身良好结构和轻量化策略可为后续该型电动车的量产奠定基础。
参考文献
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论文作者:刘绍安,袁王锋
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/11
标签：车身论文; 结构论文; 断面论文; 电动汽车论文; 车架论文; 形貌论文; 刚度论文; 《基层建设》2018年第36期论文;